Объяснение закона Ома с точки зрения классической электронной теории.

П усть в металлическом проводнике существует электрическое поле с напряженностью . Тогда движение электронов в проводнике носит характер свободных пробегов от столкновения к столкновению с ионами. Сила, которая действует со стороны источника, – вызывает ускорение электрона на пути за время .

;

;

где -максимальная скорость электрона на участке свободного пробега.

;

;

;

- тепловая скорость электронов, а - средняя скорость упорядоченного движения электронов.

;

Плотность тока в металлическом проводнике:

;

Коэффициент пропорциональности между и - ни что иное как проводимость, следовательно:

;

;

Объяснение закона Джоуля-Ленца с точки зрения классической электронной теории

Температура определяется энергией ионов металла. Электроны при столкновении с ионами отдают энергию, следовательно, температура повышается. К концу свободного пробега электрон под действием поля приобретает дополнительную энергию:

Один электрон в одну секунду может отдать энергию:

;

где Z-число столкновений.

В объеме за время t выделяется теплота:

;

приводим к виду:

, где .

Следовательно, закон Джоуля-Ленца был доказан классической теорией.

Закон Видемана-Франца

Металл обладает как электропроводностью, а так как электроны – газ, то и теплопроводностью. Электроны, перемещаясь в металле переносят не только электрический заряд, но и присущую им электрическую энергию.

-теплопроводность электронного газа.

– плотность электронного газа

– удельная теплопроводность при V=const

- электропроводность.

;

;

- закон, полученный из опыта.

Недостатки теории:

1. Из опыта  , из теории   ;

2. Квантовая теория сообщает, что электронный газ вообще не имеет теплоемкости.

Однако любая теория имеет свои границы применимости.

Основы зонной теории проводимости

Электрон в атоме может принимать только дискретный ряд значений энергии.

 - из классической теории.

Энергия, которую может принять электрон, называется разрешенным значением энергии, а которую не может принимать – запрещенным значением энергии.

Значения энергии группируются в зоны и находятся достаточно близко. Принято рисовать уровни энергии (только для иллюстрации). Совокупность разрешенных уровней образуют разрешенную зону.

Не все электроны участвуют в образовании электрического поля.

Валентные электроны легче всего отрываются от атома под действием сторонних сил, так как меньше всего связаны с ядром.

Именно валентные электроны участвуют в образовании электрического тока.

Источник отдает валентному электрону энергию, разрешенную валентному уровню.

Принцип Паули: одно и то же значение энергии может иметь в одинаковом состоянии только один электрон, обладающий свойством, которое называется спином. На одном уровне находятся два электрона, но с противоположными спинами.

Электрический ток – упорядоченный прием и отдача энергий электронов. В электрически нейтральном теле все уровни валентной зоны заняты. Дырка – это отсутствие электрона, которое принимает свойства положительного заряда. Имеет место упорядоченное движение зарядов. Все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники.

Металлы: Запрещенная зона отсутствует, она представляет собой лишь расстояние между уровнями.

Диэлектрики: Запрещенная зона велика, так что на практике не выгодно создавать такие источники, чтобы заставить электрический диэлектрик принимать и отдавать энергию.

Величину запрещенной зоны измеряют в электрон-вольтах (еВ):

если <<2еВ, - металл.

если  2еВ, - полупроводник.

если >>2еВ, - диэлектрик.